概述
《時間簡史》這是一本包含了非常多文字的書,連作者自己都說,這是一本很長很長的書,長到幾乎要把整個時間都包含進去,然而,時間又是根本沒有始終的,它不可能被任何空間所包含,所以,時間的無始無終也就成了書的作者霍金教授在整本書結束的時候要表達的終極意圖。
很多人都說,這本《時間簡史》是一本科普類書籍,它用非常客觀的視角來闡述時間在何處開始,在何處終結,宇宙的無限性和有限性依據何在。霍金教授在撰寫整本書的時候,把自己放置在了外層空間的一個奇異領域,用一種置身其外的態度對遙遠星系,黑洞,夸克,大統一理論,“帶味”粒子和“自鏇”粒子,反物質,“時間箭頭”等進行了深入地探討。
這種探討自然是為人類認識世界了解世界提供了一系列的啟發,不過這應該不是霍金教授最想要達到的目的。
《時間簡史》是一本具有非常高科學價值的教材,同時,它也是一本融入了人作為人類永恆的不斷去追求真理的書,如果時間終結了,那時尚,文化,藝術,甚至悲歡喜樂都會去哪呢?總要有人去思考和追尋吧。
作者背景
霍金於1942年1月8日(這天剛好是伽利略逝世300周年紀念日)出生於英國牛津。他的父母本來住在倫敦北部,但是在第二次世界大戰期間,牛津是一個生養孩子的好地方,因此來到了牛津。他8歲的時候,全家搬到了倫敦以北20英里外一個叫聖奧爾本斯的小鎮上。11歲時,史蒂芬上了聖奧爾本斯學校,後來去了牛津大學,這也是他父親的母校。史蒂芬想學習物理學,他父親則希望他學醫,最後父親還是尊重了他的選擇,進入物理系就讀。在三年工作量並不巨大的學習之後,他獲得了一等自然科學榮譽學位,之後進入劍橋大學研究宇宙學,當時牛津大學還沒有宇宙學這個專業。在獲得博士學位之後,他成為一名研究員,後來成為岡維爾和凱厄斯學院的教授。
他上大學的時候就患了盧伽雷氏症,肌肉萎縮性脊髓側索硬化使他永遠成為輪椅的囚徒。他不能發聲,只能靠一種語音合成器以正常人十分之一的速度與人“交談”;看書必須依賴於一種翻書頁的機器。然而慶幸的是,他的脆弱的脖頸正好能夠支持起他的天才的頭腦。
1973年史蒂芬離開了天文研究所,來到了套用數學和理論物理系。
1974年史蒂芬·霍金髮現了黑洞放射。他與彭羅斯一道證明了著名的奇性定理,並獲得了1988年的沃爾夫物理獎。此後他出版了許多書籍,包括與艾里司合著的《空時的大型結構》,與伊斯瑞爾合著的《廣義相對論述評:紀念愛因斯坦百年誕辰》和《引力300年》。他還出版了兩本通俗讀物:最為暢銷的《時間簡史》,還有後來的《“黑洞和嬰兒宇宙”及其他論文》。
鑒於他的卓越成就,從1979年開始,他擔任劍橋大學盧卡斯數學教授。這個職位是1663年根據亨利·盧卡斯的遺囑和遺贈所設,第一個擔任此職位的人是伊薩克·巴柔,1669年伊薩克·牛頓也曾擔任過這個職位。
霍金共有12個名譽學位,在1982年獲得了高英帝勛爵士頭銜以及在1989年獲得了大英帝國榮譽爵士頭銜。他擁有眾多獎章和榮譽頭銜,是皇家學會成員,以及美國國家科學院院士。
現在史蒂芬·霍金享受著充實的家庭生活(他有三個孩子),繼續著對理論物理學的研究,同時週遊世界發表演講。
推薦閱讀版本:許明賢、吳忠超譯,湖南科學技術出版社出版。
內容精要
一、時間起始點———宇宙大爆炸奇點人們曾一直相信宇宙以靜止不變的狀態存在了無窮長的時間,並將以這種狀態無限地存在下去。但1929年埃德溫·哈勃的具有里程碑式的觀測使這種觀念壽終正寢,並將宇宙開端的探索帶進科學王國。哈勃發現無論在哪個方向觀測,遠處的星系都是遠離我們急速而去。也就是說,宇宙是不斷膨脹著,那么它在最初就應該收縮為一點,這一時刻被稱為宇宙大爆炸時刻。宇宙在這一點的密度無窮大,這一點即為數學上所稱的奇點。所有的科學定理在此奇點處均告失效。這意味著,所有在此時刻之前發生的事件都不能對此時刻之後的事件產生任何影響,之後發生的事件亦不可能通過科學定理由之前的事件推導而來。換言之,大爆炸時刻之前與之後的事件之間不存在任何意義上的因果關係。這樣,從時間的物理意義上來說,時間在宇宙大爆炸奇點處開始。
二、時間終結———黑洞
恆星由於引力作用會不斷收縮,向自身坍縮。當恆星的質量大於某個極限時,泡利不相容原理產生的排斥力不能平衡引力,於是恆星將繼續坍塌下去,形成一個我們稱之為“黑洞”的無限緻密的區域。黑洞表面的引力如此之強,以致在黑洞這個區域之內不可能有任何東西,包括光線從該區域內逃逸而到達遠處的觀察者。這意味著,如果有一個無畏的航天員和恆星一起向內坍塌,並每一秒鐘向環繞該恆星的宇宙飛船發一信號。如果在11點整恆星剛好坍塌到臨界半徑而形成黑洞,那么,宇宙飛船上的同伴們在收到恆星上的航天員在10點59秒發出的最後一個信號後將再收不到任何信號。時間在此終止。人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用於黑洞:“從這進去的人必須拋棄一切希望。”
三、上帝是如何啟動宇宙的?———宇宙的起源和命運
儘管人們對於宇宙大爆炸後的演化圖景有了一定的了解,但依然有些問題始終困擾著人們。比如,為何在空間和時間的所有地方和方向上表現一致?為何宇宙以這樣接近於介於坍塌和永遠膨脹模型的臨界膨脹速率開始並膨脹下去?儘管在大尺度上宇宙是如此一致和均勻,又如何存在局部的無規則性?或者我們可以問,在宇宙大爆炸的一瞬間是誰決定了宇宙以這種模式演化至今?霍金在此書中描述了人們在追溯宇宙起源的道路上艱辛的腳步。一種是以人擇原理來解釋的叫作紊亂邊界條件的宇宙起源。就像著名的一大群猴子敲打打字機,大部分敲出來的必是廢話,但純粹的偶然也許會使它們敲出一行莎士比亞的短詩。類似地,在宇宙開端的多種無規則可能中,我們剛好生活在這樣一個光滑一致的區域裡,才有可能使我們這樣複雜的人類存在。另一種解釋稱為“暴漲模型”,它認為宇宙在開始的一瞬間是以加速度膨脹,在遠小於1秒的時間裡宇宙的半徑增大了100萬億億億倍(10的30次方)。這些理論在不同程式上雖可以解答人們的某些疑惑,但最終不能確定宇宙的根本的內在秩序。現在人們開始轉向尋求一種將量子力學和引力結合起來的完整而協調的理論,在這種理論指導下,人們找到另一種描述宇宙起源及命運的模式,即空間——時間只有有限的尺度,卻沒有奇點作為它的邊界或邊緣。空間——時間就像表面積有限而無邊界的地球,只不過多了兩維。宇宙的開端曾使人們想像一個造物主來啟動這個世界,但是,如果宇宙是完全自足的、沒有邊界或邊緣,就意味著它既沒有開端也沒有終結——它就是存在。那么,還有上帝存身之處么?
四、物理學的統—終極理論
人類在尋求建立一個適用於宇宙中每一事件的、完整的、協調的統一理論,在這理論中不需要選取特定的常數去符合事實。尋找這樣的一個理論被稱之為“物理學的統一”,是當代物理學的首要目標。愛因斯坦用晚年的大部分時間進行這項工作,但沒有成功。人們將力分為四種,即引力、電磁力、弱核力和強核力,並已通過所謂的“大統一理論”(GUT)將後三種力統一起來,而將引力也包括進來的工作正在進行之中。這一工作的難度在於廣義相對論是一個“經典”理論,它沒有包含量子理論的不確定性原理,而其他的部分理論又非常基本地依賴於量子力學。所以必須是將廣義相對論和量子力學結合起來。雖然還存在著一些未解決的問題,但從目前人們研究的“弦理論”中已看出成功的希望。
名詞解釋
絕對零度:所能達到的最低的溫度,在這溫度下物體不包含熱能。
加速度:物體速度改變的速率。
人擇原理:我們之所以看到宇宙是這個樣子,只是因為如果它不是這樣,我們就不
會在這裡去觀察它。
反粒子:每個類型的物質粒子都有與其相對應的反粒子。當一個粒子和它的反粒子
碰撞時,它們就湮滅,只留下能量。
原子:通常物質的基本單元,是由很小的核於(包括質子和中子)以及圍著它轉動
的電子所構成。
大爆炸:宇宙開端的奇點。
大擠壓:宇宙終結的奇點。
黑洞:空間—時間的一個區域,因為那兒的引力是如此之強,以至於任何東西,甚
至光都不能從該處逃逸出來。
強德拉塞卡極限:一個穩定的冷星的最大的可能的質量的臨界值,若比這質量更大
的恆星,則會坍縮成一個黑洞。
能量守恆:關於能量(或它的等效質量)既不能產生也不能消滅的科學定律。
坐標:指定點在空間—時間中的位置的一組數。
宇宙常數:愛因斯坦所用的一個數學方法,該方法使空間—時間有一固有的膨脹傾
向。
宇宙學:對整個宇宙的研究。
電荷:粒子的一個性質,由於這性質粒子排斥(或吸引)其他與之帶相同(或相反)
符號電荷的粒子。
電磁力:帶電荷的粒子之間的相互作用力,它是四種基本力中第二強的力。
電子:帶有負電荷並繞著一個原子核轉動的粒子。
弱電統一能量:大約為100吉電子伏的能量,在比這能量更大時,電磁力和弱力之間
的差別消失。
基本粒子:被認為不可能再分的粒子。
事件:由它的時間和空間所指定的空間—時間中的一點。
事件視界:黑洞的邊界。
不相容原理:兩個相同的自鏇為1/2的粒子(在測不準原理設定的極限之內)不能
同時具有相同的位置和速度。
場:某種充滿空間和時間的東西,與它相反的是在一個時刻,只存在於空間—時間
中的一點的粒子。
頻率:對一個波而言,在1秒鐘內完整循環的次數。
伽瑪射線:波長非常短的電磁波,是由放射性衰變或由基本粒子碰撞產生的。
廣義相對論:愛因斯坦的基於科學定律對所有的觀察者(而不管他們如何運動的)
必須是相同的觀念的理論。它將引力按照四維空間—時間的曲率來解釋。
測地線:兩點之間最短(或最長)的道路。
大統一能量:人們相信,在比這能量更大時,電磁力、弱力和強力之間的差別消失。
大統一理論(GUT):一種統一電磁、強和弱力的理論。
虛時間:用虛數測量的時間。
光錐:空間—時間中的面,在上面標出光通過一給定事件的可能方向。
光秒(光年):光在1秒(1年)時間裡走過的距離。
磁場:引起磁力的場,和電場合併成電磁場。
質量:物體中物質的量;它的慣性,或對加速的抵抗。
微波背景輻射:起源於早期宇宙的灼熱的輻射,現在它受到如此大的紅移,以至於
不以光而以微波(波長為幾厘米的無線電波)的形式呈現出來。
裸奇點:不被黑洞圍繞的空間—時間奇點。
中微子:只受弱力和引力作用的極輕的(可能是無質量的)基本物質粒子。
中子:一種不帶電的、和質子非常類似的粒子,在大多數原子核中大約一半的粒子
是中子。
中子星:一種由中子之間的不相容原理排斥力所支持的冷的恆星。
無邊界條件:宇宙是有限的但無界的(在虛時間裡)思想。
核聚變:兩個核碰撞併合並成一個更重的核的過程。
核:原子的中心部份,只包括由強作用力將其束縛在一起的質子和中子。
粒子加速器:一種利用電磁鐵能將運動的帶電粒子加速,並給它們更多能量的機器。
相位:一個波在特定的時刻的在它循環中的位置——一種它是否在波峰、波谷或它
們之間的某點的標度。
光子:光的一個量子。
普郎克量子原理:光(或任何其他經典的波)只能被發射或吸收其能量與它們頻率
成比例的分立的量子的思想。
正電子:電子的反粒子(帶正電荷)。
太初黑洞:在極早期宇宙中產生的黑洞。
比例:“X比例於Y”表示當Y被乘以任何數時,X也如此;“X反比例於Y”,表示,
當Y被乘以任何數時,X被同一個數除。
質子:構成大多數原子中的核中大約一半數量的、帶正電的粒子。
量子:波可被發射或吸收的不可分的單位。
量子力學:從普郎克量子原理和海森堡不確定性原理發展而來的理論。
夸克:感受強作用力的帶電的基本粒子。每一個質子和中子都是由三個夸克組成。
雷達:利用脈衝無線電波的單獨脈衝到達目標並折回的時間間隔來測量對象位置的
系統。
放射性:一種類型的原子核自動分裂成其他的核。
紅移:由於都卜勒效應,從離開我們而去的恆星發出的光線的紅化。
奇點:空間—時間中空間—時間曲率變成無窮大的點。
奇點定理:這定理是說,在一定情形下奇點必須存在——特別是宇宙必須開始於一
個奇點。
空間—時間:四維的空間,上面的點即為事件。
空間的維:空間—時間的類空的、也就是除了時間的維之外的三維的任一維。
狹義相對論:愛因斯坦的基於科學定律對所有進行自由運動的觀察者(不論他們的運動速度)必須相同的觀念。
譜:諸如電磁波對它的分量頻率的分解。
自鏇:相關於但不等同於日常的自轉概念的基本粒子的內部性質。
穩態:不隨時間變化的態:一個以固定速率自轉的球是穩定的,因為即便它不是靜止的,在任何時刻它看起來都是等同的。
強力:四種基本力中最強的、作用距離最短的一種力。它在質子和中子中將夸克束縛在一起,並將質子和中子束縛在一起形成原子。
不確定性原理:人們永遠不能同時準確知道粒子的位置和速度;對其中一個知道得越精確,則對另一個就知道得越不準確。
虛粒子:在量子力學中,一種永遠不能直接檢測到的,但其存在確實具有可測量效應的粒子。波/粒二象性:量子力學中的概念,是說在波動和粒子之間沒有區別;粒子有時可以像波動一樣行為,而波動有時可以像粒子一樣行為。
波長:對於一個波,在兩相鄰波谷或波峰之間的距離。
弱力:四種基本力中第二弱的、作用距離非常短的一種力。它作用於所有物質粒子,而不作用於攜帶力的粒子。
重量:引力場作用到物體上的力。它和質量成比例,但又不同於質量。
白矮星:一種由電子之間不相容原理排斥力所支持的穩定的冷的恆星。
成就
《時間簡史》自1988年首版以來,已成為全球科學著作的里程碑。它被翻譯成40種文字,銷售了超1000萬冊,成為國際出版史上的奇觀。該書內容是關於宇宙本性的最前沿知識,從那以後無論在微觀還是巨觀宇宙世界的觀測技術方面都有了非凡的進展。這些觀測證實了霍金在該書第一版中的許多理論預言,其中包括宇宙背景探險者(COBE)的最新發現,它在時間回溯上探測到離宇宙創生的30萬年之內的某些情況,顯露了霍金超人的時空感知能力。
專家點評
是先有雞,還是先有蛋?宇宙有開端嗎?如果宇宙有開端的話,在此之前還發生過什麼事情?宇宙從何處來,又向何處去?時間的本質是什麼?它會有終結嗎?過去與將來之間的差別從何而來?為什麼我們記住的是過去而不是將來?這是我們很多人都曾經思考過的問題,同時又深深地被困惑,無法解答。對自己存身於其中的宇宙的神秘感卻永遠潛存在我們每一個人的心中。這也就是為什麼當史蒂芬·霍金的《時間簡史》出版後,會在全世界造成如此巨大影響的原因———這本書至今累計發行量已達2500萬冊,被譯成近40種語言,也就是說,世界上每500個人中就有一個人讀過這部關於時間與空間的科學著作。他的名字憑藉《時間簡史》這本書為世人所熟知。其實,早在70年代,霍金就曾使人為之側目。他提出了黑洞放射,提出了奇點理論,並且用最通俗易懂的方法向朋友解釋黑洞。朋友們問他:“如果黑洞是黑的,你怎么會看到它呢?”他回答說:“你去過舞廳嗎?在那裡你是否看到過那些穿著黑色晚禮服的男士與那些穿著白裙子姑娘們在一起翩翩起舞的情景?當燈光變暗時,你只能看到姑娘們,假設姑娘就是普通的星星,而男青年就是黑洞。你看不見黑洞,就像你看不見男青年一樣。但是姑娘們鏇轉的舞姿使你確信那裡一定有什麼東西使她們在鏇轉。”從黑洞的故事中,就可顯現日後《時間簡史》的科普性。
事實上,霍金一直試圖將愛因斯坦的相對論同量子理論綜合起來,這也是愛因斯坦和其他科學家一直未能獲得成功的領域。霍金提出的方程式有助於揭示,為什麼宇宙在150億年的時間裡由一點擴展成無限,以及為什麼它又以一種被稱為“宇宙險境”的方式對其本身進行收縮。
《時間簡史》是一部講述宇宙奧秘的科普讀物,試圖解答人類最古老的命題:時間是有始有終的嗎?宇宙是無限的嗎?霍金認為宇宙的不斷膨脹表明,宇宙在存在之前有一個誕生的起點,宇宙誕生的那一刻叫作“宇宙大爆炸”。“時間——空間在大爆炸奇點處開始,並會在大擠壓奇點處或黑洞的一個奇點處結束。任何拋進黑洞的東西都會在奇點處被毀滅。”在霍金展示給人們的新的宇宙圖景中,他在經典物理學的框架內,證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性;而在量子物理學的框架內,他研究的黑洞輻射理論證明,大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平,而且宇宙正是起始於此。因此,霍金當之無愧地被讚譽為本世紀最重要的廣義相對論學者和宇宙學家。
在《時間簡史》中霍金所有理論公式都棄置不用,因為別人告誡他,放在書中的每一個方程都會使本書的銷售量減半。霍金成功了,此書自經問世,已售出1000萬冊。霍金曾戲稱,寫此書的目的是為了給女兒掙學費,結果是,他女兒得到了豐足的學費,而讀者獲得了豐富的知識。
人們對於霍金的景仰,還來自於霍金對科學的執著精神和對生活的勇氣。霍金20歲時被診斷出患有肌萎縮性側索硬化,該病將導致癱瘓,醫生甚至預言他還只有兩年的壽命,然而霍金卻創造了奇蹟。儘管如今他只能坐在裝有馬達的輪椅里,依靠一個電腦發聲合成器,以正常人十分之一的速度與人“交談”,生理上他寸步難行,智慧上卻一躍千年,跑到幾十億光年之外,那宇宙的邊緣。他同其他科學家一樣,用自己的經歷告訴世人:執著的探索精神是生命的最大動力。
霍金所說的一切不可能都是絕對真理,他是一個探索者,在不斷探索新的事物。他不僅推崇數學作為最嚴謹的形式邏輯的威力,更處處引證實際觀測結果作為理論可信的基本條件。正如作者在書中指出的:“無論如何,科學的力量在於凡是未經實驗驗證的東西就不能被認為是真實的存在。”所以,在任何一種理論被實驗或觀測事實多次重複地證明之前,它是不可能為科學界所承認和接受為一種科學理論的,不管提出這種理論的是何許人。就宇宙學來說,說“宇宙在空間和時間上是無限的”,這對哲學家們來說可能一般地是正確的,但在現代自然科學中,科學家們往往避免使用或者根本就不使用這種說法。因為任何科學理論只能以實驗和觀測證據為基礎,而任何實驗和觀測只能作用於有限的客體。所以對於現代天文學家、宇宙學家,他們所能研究和討論的只能是可實驗、可觀測的具體而有限的宇宙,而對於望遠鏡看不到的更遙遠的宇宙深處,他們將會老老實實地告訴你“這還是一個未解之謎”。這就是科學。科學永遠不會標榜自己“無所不知”。重要的是,人類必須思考,必須繼續不停地思考。人類必須努力拓展知識領域,但有時人們確實不知道從何處入手。我們不知道知識的邊界在哪兒,是不是?因為你不知道起點在哪裡。
如果我們發現了完整的宇宙理論,我們應當及時地讓所有的人都能理解它的基本原理, 而不僅僅只限於少數科學家。到那時, 我們所有的人——— 哲學家、科學家,以及普通大眾,都能夠參與關於我們和宇宙為什麼存在的問題的討論。如果我們找到了這一問題的答案,人類理智將奏起終極勝利的凱歌,因為人類獲得了最後的勝利。
妙語佳句
我們之所以看到宇宙這個樣子,只是因為如果它不是這個樣子,我們就不會在這裡去觀察它。
大爆炸是宇宙開端的奇點。
科學的力量在於凡是未經實驗驗證的東西就不能被認為是真實的存在。
當愛因斯坦說到“上帝不擲骰子”的時候,他錯了。鑒於黑洞給予我們的暗示,上帝不僅擲篩子,而且往往將骰子擲到我們看不見的地方以迷惑我們。
目錄
前言
第一章我們的宇宙圖像
第二章空間和時間
第三章膨脹的宇宙
第四章不確定性原理
第五章基本粒子和自然的力
第六章黑洞
第七章黑洞不是這么黑的
第八章宇宙的起源和命運
第九章時間箭頭
第十章蟲洞和時間旅行
第十一章物理學的統一
第十二章結論
阿爾伯特·愛因斯坦
伽利略·伽利雷
艾薩克·牛頓
小辭典
感謝
殘疾人作家作品
殘疾人天生與寫作有緣。近十幾年來,伴隨著國家和社會的進步以及殘疾人事業的發展,越來越多的殘疾朋友投身於文學領域,用手中的筆呼喚友愛,謳歌真情,頌揚時代,向社會昭示人生的價值和生活的真諦;殘疾人作家們辛勤筆耕,創作了大量思想性和藝術性俱佳的文學作品,國內文壇逐漸湧現出史鐵生、張海迪、史光柱、葉廷芳、王占君、車前子、阮海彪、夏天敏、劉水、倪景翔等一批有影響的殘疾人作家、文學評論家。 |
世界經典哲學類書籍
哲學,是理論化、系統化的世界觀,是自然知識、社會知識、思維知識的概括和總結,是世界觀和方法論的統一。是社會意識的具體存在和表現形式,是以追求世界的本源、本質、共性或絕對、終極的形而上者為形式,以確立哲學世界觀和方法論為內容的社會科學。 |
30部必讀的科普經典
那些具有極高的科學性、思想性和藝術性的科普經典,濃縮了幾個世紀以來科學發展的歷程,涉及了當今科學的基本問題和最新進展,凝聚了人類文明進步的智力成果,回答了我們普遍關注的科學命題,讓我們更深刻地了解自己,了解我們生活的世界。 |